2025年, 第60卷, 第2期　刊出日期：2025-02-15

  

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专家论坛
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  烧结烟气高比例循环技术研究进展与河钢实践

  王新东, 王冠翔, 李超群, 徐文青, 朱廷钰, 侯长江

  钢铁. 2025, 60(2): 1-10.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240446

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  烧结烟气循环技术已经成为烧结机提高产量、降低CO、减少漏风、降低固体燃耗的重要技术措施。在钢铁工业减污降碳政策驱动下,提高烟气循环率可进一步强化污染物减排和余热利用效果。因此,烧结烟气高比例循环是未来技术发展的重要趋势。系统总结了国内外烟气循环技术发展历程及应用现状,认为烧结烟气循环技术已基本完善,主流技术路线应为高低温烟气组合的烟气内循环方案,根据烧结生产需求不同,在风箱选取数量、位置和布风方案上略有差异。此外,在工艺优化方面,随着烟气循环率提高,应重点关注循环烟气氧气体积分数降低、水体积分数升高和风量热量平衡等问题;在技术应用过程中,应重点关注取气可靠性、管道积灰、风机匹配性、烟气分配和密封罩流场均匀性等工程问题。在对烧结烟气循环技术研究与应用分析的基础上,重点以河钢集团应用的高比例烟气循环工程为例,详细介绍了高比例烟气循环的工艺设计理念。通过循环工艺创新、核心装备突破和运行参数优化,河钢邯钢和唐钢新区稳定实现了30%以上高比例烟气循环,并在46台套烧结机上实现工程推广,为实现烧结机高比例烟气循环技术提供理论依据和实践经验,对大力推动烧结烟气循环技术的推广应用、加快实现钢铁工业减污降碳进程具有重要意义。
综合论述
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  超低温高锰钢连铸保护渣研究进展

  王强强, 习在辉, 何生平, 李明, 李权辉

  钢铁. 2025, 60(2): 11-22.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240506

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  近年来随着钢铁行业节能减排压力的提升,超低温高锰钢生产采用的“转炉/电炉→精炼→连铸”流程工艺具有高效、节能、低成本的优势,成为许多钢铁企业的发展方向。然而,高锰钢由于锰、碳质量分数较高,钢水导热性差,凝固坯壳线膨胀系数大,冷却过程中容易产生较大的热应力,极易产生漏钢风险。加上浇铸过程结晶器钢渣界面不可避免地发生反应[Mn]+（SiO₂）→[Si]+（MnO）,造成熔渣成分和性能改变,恶化保护渣正常的润滑和控制传热功能。前期调研发现国内钢厂采用连铸工艺生产高锰钢均存在不顺行的情况,铸坯容易出现纵裂纹且漏钢事故频发,有的甚至单炉浇铸都非常困难。连铸坯表面缺陷和漏钢事故频发已严重阻碍了超低温高锰钢的规模化生产,保护渣技术作为连铸工艺的关键技术之一,对保障连铸顺行和铸坯表面质量具有重要的影响。当前高锰钢研究主要集中在成分设计、轧制热处理、焊接技术等方面,但是在保护渣专用渣系的研究与开发方面还未见系统报道。为此,着重对含锰钢渣金反应性研究、MnO对熔渣流变特性以及渣膜传热控制影响方面进行相关综述,明确了CaO-SiO₂-MnO基低反应性渣系的研究重点。超低温高锰钢低反应性连铸保护渣的开发,对拓展和深化难浇钢种连铸保护渣传热与润滑协调控制理论,以及促进无缺陷铸坯高效、绿色、低碳生产具有重要意义,也是未来专用渣系的发展方向。
原料与炼铁
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  评价高炉生产效率的方法与Rist线图

  项钟庸, 童小平, 徐万仁

  钢铁. 2025, 60(2): 23-32.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240444

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  RIST A从最初的的实验室研究到后来的理论研究均贯穿着高炉的非理想操作线研究。他认为非理想操作线是由于炉料在炉内的停留时间t_s太短、达不到理想还原状态的临界停留时间t_s^*,使得Rist线图中的操作线被包络线推离炉身效率R点的缘故。首先,从数理关系上将从高炉炼铁的基本理论以及高炉生产实践中总结出的评价高炉生产效率的5个参数与Rist线图联系起来。用煤气在炉内的停留时间t_g替换炉料在炉内的停留时间t_s,并推导出t_g与炉腹煤气量指数χ_BG、炉腹煤气量V_BG以及吨铁炉腹煤气量v_BG的关系。煤气停留时间t_g与R点的关系比较复杂,需要大量高炉炉内过程的实际测量数据并通过数学模型计算机计算才能确定。可是在这方面的研究还很少,在生产实际中应用尚存在诸多困难。其次,为了方便、快捷地解决实际非理想状态中出现的操作问题,又提出了根据高炉生产操作数据计算包络线的方法。由于R点与煤气利用率η_CO关系密切,可以用η_CO的水平来确定R点的位置。在高炉现场计算中,经常用煤气利用率η_CO与吨铁风口耗氧量$v_{\mathrm{O}_{2}}$决定Rist操作线,因此用统计生产数据的方法得到随着吨铁风口耗氧量$v_{\mathrm{O}_{2}}$变化引起煤气利用率η_CO的变化规律,即为操作线的变化规律,由此得出Rist线图中包络线的特性和变化规律,从中求得Rist模型中的重要参数在实际生产中的变化,从而预测高炉炉况的变化。
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  氢气预还原冷却氧化球团新工艺有效能利用分析

  李峰, 胡志敏, 储满生, 唐珏, 田宏宇

  钢铁. 2025, 60(2): 33-42.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240400

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  在“双碳”背景下,高温氧化球团的余热回收成为钢铁生产的一个节能潜力点。采用氢气将氧化球团进行预还原和冷却,可提高球团的质量,同时降低后续冶炼工序的能量需求。采用基于热力学第二定律的有效能分析方法,对氢气预还原冷却氧化球团新工艺能量利用进行定量评价,考察了冷却气中氢气含量、氧化球团温度对新工艺有效能利用效率的影响。在此基础上,采用氢气冷却预还原氧化球团开展了热态试验。研究结果表明,在氢气体积分数为100%、氧化球团温度为1 000 ℃条件下,预还原球团金属化率最高可达到32%,入炉氢气需求量为866.53 m³/t,氢气利用率、热量利用效率、普遍有效能利用率和目的有效能利用率分别为25.55%、25.46%、92.03%和22.11%; 当冷却气中氢气体积分数由100%降至60%时,冷却气需求量减少315.77 m³,但普遍有效能利用率降低6.54%,炉顶煤气温度升高,氢气体积分数不宜低于70%; 当氧化球团温度由950 ℃升至1 150 ℃,氢气需求量增加140.95 m³;预还原球团金属化率由30.50%提高至38.51%,但氢气利用率降低,普遍有效能和目的有效能利用率降低; 采用100%氢气（体积分数）对温度为1 000 ℃、品位为67.79%的氧化球团进行预还原冷却,预还原球团的金属化率达到34.77%,抗压强度和转鼓指数分别为1 902 N/个和98.21%,满足后续工艺的生产要求。
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  煤灰对白云鄂博矿球团粉末结圈行为的影响

  石颜硕, 高晓永, 苏龙, 白晓光, 王永斌, 刘培军, 柴轶凡

  钢铁. 2025, 60(2): 43-50.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240515

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  链箅机-回转窑是中国主要的氧化球团生产工艺,但回转窑的结圈问题一直制约着球团矿高效低耗的生产。回转窑内结圈程度加剧,对球团品质以及总体产量具有较大的影响,当窑内结圈物增多时,会对设备造成不可逆的影响,甚至引起安全事故。研究了煤灰添加量对白云鄂博矿球团生产过程中回转窑内结圈现象的影响。采用压块、焙烧试验模拟回转窑生产白云鄂博矿球团过程中的结圈物,通过添加不同比例的煤灰来模拟实际生产过程中结圈物生长过程中混入不同量的煤灰,对结圈物的物相组成、固结强度以及显微结构进行分析,揭示煤灰添加量对白云鄂博矿球团粉末结圈行为的影响机制。研究结果表明,不添加煤灰和添加质量分数为1%煤灰的结圈物相比,其变形温度从1 345 ℃降低到1 335 ℃,使结圈物更加容易形成;同时固结强度由2 774 N增大至3 782 N,增加了结圈物的清理难度。煤灰的加入会导致低熔点液相的生成,一方面低熔点液相会填充在赤铁矿连晶之间从而弥补结圈物的微观结构缺陷,进而增加固结强度;另一方面在高温时低熔点液相中的铁酸盐会与煤灰发生反应,使赤铁矿以再结晶的形式析出,促进赤铁矿的连晶,增加结圈物的固结强度。因此,在球团生产过程中应选用煤灰较低的煤粉进行喷吹,可有效抑制回转窑中的结圈现象。
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  烧结矿竖冷装置物料流动与气流分布

  祁腾飞, 陈国军, 张永杰

  钢铁. 2025, 60(2): 51-58.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240461

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  为了研究炉型结构对烧结矿竖冷炉内气固流动的影响,以梅钢竖冷炉单料仓为基础,按10∶1比例缩小搭建了烧结矿竖冷试验装置,同时设计了文丘里炉型。分别从料层平均粒径分布、空隙率分布、运动流型分布以及气流分布角度展开试验研究。结果表明,使用现有炉型,料层平均粒径呈下料点附近较小而边壁区和中间区较大分布,且沿纵向变化不大,因此形成高低粒径通道;空隙率分布与平均粒径分布相近;物料呈U形下降,且中间区和边壁区下移速度差异较大;气体速度呈中间区较小而边壁区较大分布。采用文丘里炉型后,料层沿纵向的粒径分布被打乱,在炉腔中上部,平均粒径呈中间区较大而边壁区较小分布,炉腔下部则相反,整体料层平均粒径从8.3 mm降至7.7 mm,且平均粒径标准差从1.3 mm降至0.7 mm,料层粒径分布波动性更小,相对更加均匀;空隙率分布与平均粒径相反,呈中间区较小而边壁区较大分布,且空隙率范围从0.355~0.392增加至0.363~0.395,空隙率标准差从0.016~0.022降低至0.0135~0.0185,料层空隙率及其分布的均匀性均得以提高;烧结矿排出炉腔时间从300 s降至200 s,中间区和边壁区下移速度差异缩小,整体流系数I_MF（mass flow index）从0.60提高至0.76,物料流动均匀性得到改善;气体速度在边壁区较小而在中间区较大,其值从7.5~18.6 m/s增加至8.5~19.3 m/s,其标准差从0.45~2.52 m/s下降至为0.40~1.12 m/s,这有利于缓解边壁效应,增加气体速度分布的均匀性。后续可继续研究文丘里炉型对气固换热的影响,以进一步确定文丘里炉型对烧结矿竖冷炉的改善作用。
炼钢
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  包钢大型转炉环缝式复吹技术的研究与开发

  赵鸣, 徐涛, 王俊刚, 王杰

  钢铁. 2025, 60(2): 59-66.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240325

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  洁净钢生产是当代炼钢技术发展的重要方向,钢液碳氧积控制一直是转炉炼钢特别重要的指标,也是冶金科研工作者重点关注的方向。为进一步挖掘转炉复吹的冶金效果,降低转炉停吹钢水游离氧质量分数和碳氧积,实现转炉钢水洁净化冶炼的目标,开展了基于双环缝式底吹供气元件的转炉高效、长寿命复吹技术研究与开发。研究过程中,基于环缝式底吹风口特性,进行了底吹风口布置位置与供气工艺的优化,开发了高效底吹供气工艺与转炉底吹长寿命可视化维护技术,并在稀土钢板材厂240 t转炉进行了环缝式底吹供气技术的工业实践。工艺技术应用后,关键技术指标明显优化,初步达到转炉钢水洁净化冶炼的目标,主要表现为脱碳效率进一步提升,低碳钢终点碳质量分数由平均0.055%降低至平均0.033%;转炉终渣氧化性有效降低,渣中全铁质量分数由平均25.5%降至22.9%,平均降低2.6个百分点;转炉冶炼磷元素控制更趋稳定,渣中 P₂O₅质量分数平均提高约0.2个百分点;有效复吹炉龄超过5 500炉,炉役复吹比由原来的50%提升至70%,取得全新突破;低碳钢转炉冶炼效果得到优化,终点平均碳氧积约为0.001 9（平均出钢温度为1 670 ℃）,相比之前降低0.000 5~0.001 5。
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  精炼渣对钢中钛含量和洁净度的影响

  张蓬朝, 李光强, 胡可, 朱丽琴, 刘畅, 刘昱

  钢铁. 2025, 60(2): 67-75.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240449

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  轴承是各类机械装备转动部位最关键的基础件之一,工作部位多处于主机的心脏和关节等要害处,因此轴承的质量和疲劳寿命对于主体装备的性能和可靠性至关重要。随着轴承钢总氧含量的降低,钢中氧化物夹杂的尺寸和数量得到了有效控制,TiN夹杂对轴承钢疲劳寿命的影响开始凸显,因而轴承钢对钛含量有着严格的控制要求。相比于原料和合金中钛含量控制,精炼过程渣-钢反应实现轴承钢钛含量控制更具成本优势。基于CaO-SiO₂-Al₂O₃-0.05%TiO₂-5%MgO（质量分数）精炼渣与轴承钢反应的热力学计算和渣的液相线温度范围进行了轴承钢超低钛含量控制的精炼渣成分设计。通过渣-钢反应考察了精炼渣碱度和渣中Al₂O₃含量对钢中钛和铝含量、TiN尺寸分布和钢液洁净度的影响。结果表明,精炼渣碱度为2~4,Al₂O₃质量分数控制为25%~58%,可以有效地控制钢中钛和铝含量[w（[Ti]）<0.001 2%、w（[Al]）<0.015 0%]。随着精炼渣碱度的降低,钢中钛和铝含量降低,碱度为3的精炼渣处理的钢中钛和铝含量均满足预期要求,TiN的长大时间短,低碱度精炼渣有利于钢中TiN夹杂的控制,证明了渣系设计的可行性。随着精炼渣碱度增加、Al₂O₃含量的降低,钢中夹杂物数量密度和平均尺寸均减小,这与钢中氧含量的变化趋势一致。相同碱度的精炼渣,随着钢中Al₂O₃含量的降低,炉渣吸收固体夹杂物的能力提高,钢液具有更高的洁净度。48.71%CaO-16.24%SiO₂-30%Al₂O₃-0.05%TiO₂-5%MgO（质量分数）精炼渣能够有效地实现钢中低Ti含量和TiN夹杂物的控制,且处理后的钢液具有更高的洁净度。。
压力加工
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  冷连轧机组动态变规格时带钢楔形区参数优化设定

  王文奇, 李健, 白振华

  钢铁. 2025, 60(2): 76-83.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240437

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  冷连轧过程中,连续轧制的带钢从一个规格变化到另外一个规格称为动态变规格（FGC）,在这个过程中必然会存在一个带钢厚度的楔形过渡区。楔形过渡段的设计包括厚度曲线设计、轧制速度设计以及张力的设计,在这个过程中有2方面问题需要考虑,从板材成材率的角度楔形区应该越短越好;同时为了使动态变规格过程中张力及轧制压力变化平稳,防止断带事故发生,楔形区也不能太短。某钢厂5机架冷连轧机组动态变规格过程中楔形区设定不合理,在对生产实绩的跟踪中发现现场发生多次断带,机组不得不停机重新穿带,极大降低了生产效率。基于以上问题,充分考虑轧机的设备和工艺特征,在分析机组动态变规格控制逻辑的基础上,进行楔形段带钢厚度变化曲线的参数化设计,推导适用于动态变规格时的带钢变断面张力微分方程,建立楔形区张力和速度的关系模型。在以上分析的基础上,以保证不断带和轧制压力均匀过渡为目标,结合部分机组设备及工艺条件的限制,建立了动态变规格时楔形段控制目标函数,开发了一套冷连轧机组动态变规格时楔形区参数优化设定技术。该技术可以通过迭代计算得到冷连轧机组动态变规格时最优楔形区参数。将该技术应用于现场后,设计出了符合现场设备及工艺条件的楔形段厚度变化曲线及速度调节曲线,提高了变规格时机组运行的稳定性,经过统计调研发现,机组断带次数较之前有明显的降低,提升了现场冷轧机组的生产效率。
钢铁材料
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  回火温度对热轧Ti-Mo-V钢第二相析出行为的影响

  马凯, 杨庚蔚, 付至祥, 韩汝洋, 徐耀文, 许德明

  钢铁. 2025, 60(2): 84-93.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240252

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  热轧带钢中微合金元素析出不完全的情况普遍存在,回火处理可以使钢中固溶的微合金元素进一步析出,有助于其力学性能的提升。以热轧Ti-Mo-V微合金化超高强钢为研究对象,利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜与维氏硬度计等,系统研究了回火温度对钢中微合金第二相析出行为的影响。研究结果表明,与热轧态相比,当回火温度为550~700 ℃时,试验钢中铁素体晶粒变化不明显。在热轧阶段未完全析出的微合金元素在回火过程中会逐渐析出,析出相为富V的（Ti,Mo,V）C粒子。同时,随着回火温度升高,析出相与基体之间的错配度下降、比界面能降低,且原子扩散速度明显加快,有利于（Ti,Mo,V）C在基体中析出。试验钢中（Ti,Mo,V）C粒子的体积分数和平均粒径均随着回火温度升高逐渐增大,且（Ti,Mo,V）C粒子中V原子数分数增加,晶格常数减小。当回火温度为700 ℃时,试验钢中析出的（Ti,Mo,V）C粒子体积分数达到0.609%,平均粒径约为8.39 nm,V原子数分数为51.9%,晶格常数为0.436 nm。另外,试验钢中微合金第二相提供的沉淀强化增量随着回火温度的升高呈现出先增大后减小的变化趋势。当回火温度由550 ℃上升至650 ℃时,试验钢中的沉淀强化增量由286.6 MPa升高至327.3 MPa,显微硬度达到峰值,约为282.1HV。当回火温度进一步上升至700 ℃时,（Ti,Mo,V）C 粒子发生明显粗化,其产生的沉淀强化增量减小至282.2 MPa,且基体组织软化进一步加剧,试验钢的显微硬度下降至261.1HV。热轧Ti-Mo-V微合金化超高强钢在650 ℃下回火1 h后,析出强化得到大幅提升,力学性能显著提升 。
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  退火温度对汽车用980 MPa级含Ti双相钢组织性能的影响

  乔露露, 刘旻

  钢铁. 2025, 60(2): 94-102.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240470

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  高强铁素体-马氏体双相钢通常面临伸长率和断裂应变较低的问题。为解决这一问题,设计了1种含钛低碳双相（DP）钢,旨在通过缩小铁素体与马氏体之间的强度差以及细化晶粒,制备出具有优异伸长率和断裂应变的980 MPa级DP钢。基于该设计钢,进一步研究了退火温度（760、780、800 ℃）对其微观组织和力学性能的影响。研究表明,随着退火温度从760 °C提高至800 °C,试验钢的铁素体体积分数从57%降低至32%,铁素体晶粒尺寸从2.1 μm降低至1.6 μm。对于力学性能,随着退火温度从760 °C提高至800 °C,试验钢抗拉强度从983 MPa提高至1 081 MPa,总伸长率从17.6%降低至13.9%,断裂应变从0.41增加至0.62。提高退火温度增加了马氏体体积分数,降低了马氏体碳含量,从而降低了铁素体与马氏体的强度差,促进了两相协调变形能力,最终抑制了两相界面脱粘。此外,马氏体碳含量降低也提高了马氏体韧性,抑制了马氏体断裂。这2个因素的共同作用是随着退火温度升高试验钢断裂应变提高的主要原因。与报道的DP钢相比,800 ℃退火试验钢在相同抗拉强度下展现出更高的断裂应变,其归结于3个原因。首先,TiC粒子降低了铁素体与马氏体的强度差,促进了两相协调变形能力,抑制了两相界面脱粘现象。其次,低碳含量和高马氏体体积分数降低了马氏体碳含量,提高了马氏体韧性,抑制了马氏体开裂现象。最后,TiC粒子细化了晶粒,进一步提高了基体韧性。
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  基于S31254不锈钢的耐蚀非晶合金

  陈彦霖, 刘磊, 莫帅, 许晟嘉, 艾文杰, 刘涛, 张华, 倪红卫

  钢铁. 2025, 60(2): 103-109.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240385

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  铁基非晶合金具有长程无序的结构特征,成分均匀且没有晶界和位错等缺陷,其耐磨耐蚀性能远超传统不锈钢。但是,耐蚀非晶合金的制备通常需要添加高含量的铬、钼等金属进行重熔合金化,导致原料成本高且熔炼难度大。基于此,提出了利用S31254不锈钢制备耐蚀非晶合金的新方法。基于S31254不锈钢的成分特征,结合混合焓和原子尺寸差分析,设计了S31254+15C+6B（原子数分数,%）耐蚀非晶合金新成分;并利用FactSage详细计算了精炼渣低熔点区域和渣-金平衡,确定了适用于S31254+15C+6B非晶合金的10%SiO₂-40%CaO-25%Al₂O₃-25%B₂O₃（质量分数）新型低熔点精炼渣;采用单辊旋淬工艺成功制备了合金化前后和精炼前后的合金带材;并利用XRD和电化学工作站评价了合金带材的非晶形成能力和耐腐蚀性能。研究结果表明,B、C元素合金化后,合金的成带工艺性明显提升,能够制备得到表面质量良好的合金带材;精炼后合金中O、S含量明显降低,非晶形成能力显著提升,能够在20~35 m/s不同甩带速率下制备25~42 μm的非晶态带材;而且S31254+15C+6B非晶合金具有较宽的钝化区间和较大的阻抗半径,具有优异的耐腐蚀性,明显优于S31254不锈钢。提出的基于S31254不锈钢制备耐蚀非晶合金具有可行性,通过设计符合S31254不锈钢成分特征的非晶合金,能够充分利用其中的Fe、Ni、Cr、Mo等元素,并结合精炼工艺制备了具有优异耐蚀性的S31254+15C+6B非晶合金。
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  二次时效温度对2.1 GPa不锈钢组织及性能的影响

  田帅, 刘振宝, 邱雨, 梁剑雄, 赵文宇, 王晓辉, 孙永庆, 王长军

  钢铁. 2025, 60(2): 110-118.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240479

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  超高强度不锈钢是1种具有超高强度以及良好耐蚀性的钢种,常常作为承力结构部件应用于航空、航天、海洋等领域。单纯提高超高强度不锈钢的强度不具有实际应用价值,未来超高强度不锈钢的发展除了要求超高强度外,应兼顾钢的塑性、韧性和良好腐蚀性能。为了突破2.1 GPa超高强度不锈钢强韧性匹配极限,利用SEM、XRD、TEM等表征手段,结合力学性能测试的方式,研究了二次时效温度对2.1 GPa不锈钢显微组织及力学性能的影响。结果表明,经过不同二次时效温度处理后,不锈钢在高位错密度的马氏体基体上弥散分布着大量纳米级第二相,这些第二相主要以M₂C和Laves相为主,同时,在马氏体板条界发现薄膜状奥氏体的存在。时效过程中伴随着M₂C和Laves相的析出、长大、粗化及奥氏体含量的升高,使得钢的强度和韧性均呈现出先升高后降低的趋势。时效温度为520 ℃时,钢的强韧性匹配达到最佳,相比于目前国外强度级别最高的超高强度不锈钢（Ferrium S53钢）,2.1 GPa不锈钢的抗拉强度和屈服强度均提高了约200 MPa,伸长率、断面收缩率和冲击功与之相当。
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  基于深度学习的超低碳钢显微组织特征强化与精细化分析

  王煜乔, 吴思炜, 曹光明, 刘建军, 窦君, 闫新悦, 刘振宇

  钢铁. 2025, 60(2): 119-127.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240390

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  超低碳钢显微组织为铁素体,在制样过程中极易出现划痕和晶界腐蚀不清晰的现象,严重影响金相组织分析。同时,显微组织特征的分析结果严重依赖于专家经验,受主观因素影响较大且效率低。为了高效获得超低碳钢显微组织特征信息,基于超低碳钢金相图像数据集,采用归一化、自适应阈值法处理图像,增强图像对比度;融合自注意力机制（Self-Attention,SA）和循环回归生成对抗神经网络（CycleGan）,开发基于CycleGan+SA的晶界增强算法;建立超低碳钢显微组织特征强化模型,实现了显微组织图像的自动处理与晶界信息的特征强化。在此基础上,采用分水岭分割算法对晶界强化后的显微组织图像进行精细化分析。结果表明,CycleGan+SA算法可以有效去除原始金相图像中的划痕并补全晶界模糊区域,实现超低碳钢晶界特征强化。相比原始的CycleGan算法,引入注意力机制后,CycleGan+SA算法可以实现更清晰的晶粒分割,图像识别精确度P值由97.43%提升至98.75%,综合评价指标F值由97.49%提升至98.73%。在显微组织精细化分析方面,通过与常用分析软件对比,超低碳钢显微组织特征强化模型与Image J软件测定的晶粒尺寸平均误差为1.2个晶粒,与Image Pro Plus软件测定的晶界比例误差为0.008个百分点,模型与软件统计结果吻合较好,具备一定的应用前景。
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  碲处理对20MnCrS5齿轮钢耐磨性及夹杂物变形的影响

  王明月, 白云, 刘威, 杨树峰, 孙烨, 王锦, 李京社

  钢铁. 2025, 60(2): 128-140.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240420

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  齿轮钢作为应用广泛的一类钢种,需要被加工成复杂的形状,且在工作中需要承受较大的摩擦力,所以要求其具有优异的切削性能以及耐磨性能等,钢中硫化物夹杂是两者协同控制的关键因素,而碲的添加可以起到改性钢中硫化物的作用。为此,通过扫描电镜、夹杂物自动分析、夹杂物纳米压痕及干摩擦试验探究了碲添加对20MnCrS5齿轮钢耐磨特性与夹杂物物性特征影响。结果表明,碲添加使得20MnCrS5钢中长条状及链状夹杂物的数量减少以及夹杂物的整体数密度降低,且硫化物的形貌趋于球化。当钢中碲质量分数为0.053%时,夹杂物长宽比由不加碲时的2.302降低到1.720。结合热力学计算表明,其主要得益于碲添加导致的硫化物析出特性转变。针对夹杂物自身的纳米压痕试验表明,钢中添加碲元素可以提高硫化物夹杂的硬度,经过碲改性后MnS夹杂物的硬度由不加碲时的7.82 GPa提升到9.42 GPa。轧制变形过程中的硫化物夹杂变形量统计结果表明,其变形率至多可由16.6%降为3.8%。同时,干摩擦试验表明,碲处理通过改性钢中夹杂物、提高硫化物和基体的硬度,使得20MnCrS5齿轮钢磨损率及摩擦因数降低,耐磨性得到了增强。阐释了夹杂物-钢基体在变形、摩擦过程中的影响,为未来含碲特种钢的进一步开发和优化提供相应的参考。
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  外加亚微米氧化物对高速钢铸态组织的影响

  肖志霞, 徐梦凯, 吴新财, 徐瑞, 梁国欣, 冯建航

  钢铁. 2025, 60(2): 141-152.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240401

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  高速钢因其优异的红硬性、高耐磨性和适当的韧性,被广泛应用于切削刀具、轧辊、冷作模具等领域。然而,作为高碳高合金钢,高速钢因凝固过程的元素偏析不可避免地形成粗大的网状共晶碳化物,这严重降低了高速钢的后续加工性能和使用寿命。研究表明,向钢中引入弥散分布的亚微米级氧化物可显著改善其微观组织并提高钢的强韧性。基于此,以AISI M2（M2）高速钢为对象,利用中间合金法向M2钢中引入亚微米Al₂O₃颗粒,详细分析了外加亚微米氧化物对高速钢铸态组织的影响规律。结果表明,引入的Al₂O₃颗粒在高速钢中以1 μm左右的Al₂O₃-MnS复合球状形式存在,大部分氧化物颗粒弥散分布于初生枝晶间,少数位于枝晶干上。在高速钢凝固过程中,初生δ相倾向于以这些外加的亚微米氧化物质点为形核核心,从而促进了枝晶组织细化,并改善了基体中Cr、W、Mo和V元素的显微偏析。高速钢中引入亚微米Al₂O₃颗粒后并不改变钢中共晶碳化物的类型,但形成了更多呈短纤维状的共晶M₂C,此外,共晶碳化物的相对含量降低。随着中间合金加入量的增加,高速钢中非金属颗粒的数量密度增加,同时颗粒的平均直径下降,这表明非金属第二相颗粒能够更加均匀弥散分布于钢中,从而有利于高速钢铸态组织的进一步细化。
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  690合金在硅酸盐玻璃熔体中腐蚀行为分析

  顾洋, 宋志刚, 丰涵, 徐长征, 敖影, 朱永昌, 杨德博, 焦云杰

  钢铁. 2025, 60(2): 153-160.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240447

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  焦耳加热陶瓷熔炉通常采用690合金电极加热。目前针对电极材料的大量研究均集中在材料成分、玻璃液成分及环境温度上,鲜有在电极上施加交流电的试验,因此难以模拟电极材料在实际服役过程中的腐蚀行为。对焦耳加热陶瓷熔炉用690合金电极材料进行研究,模拟合金在焦耳炉中的服役状态,测试合金耐蚀性能;通过对合金及腐蚀产物的形貌、元素分布及物相表征,揭示合金在服役环境中的腐蚀行为,为焦耳炉电极材料的选择及设备的设计提供参考。采用自建设备模拟焦耳炉电极服役环境,利用XRD物相分析、SEM形貌表征、EDS元素分析手段研究690合金在硅酸盐玻璃熔体、温度为1 150 ℃、电流密度为0.7 A/m²条件下的腐蚀行为。结果表明,在上述硅酸盐玻璃熔体中,690合金材料的腐蚀速率为1.3~2.2 mm/a。腐蚀时间小于24 h时,样品处于腐蚀产物快速生成阶段,腐蚀速率相对较高;腐蚀时间为48~72 h时,产物膜趋于稳定,腐蚀速率相对较低;腐蚀时间为144 h时,由于产物膜不能完全覆盖样品,腐蚀速率略有上升。腐蚀产物主要为Cr₂O₃氧化物和NiCr₂O₄尖晶石的混合产物膜,腐蚀产物在样品表面选择性分布,部分位置基体长时间腐蚀后仍然裸露。无产物膜位置存在基体元素的溶出与玻璃熔体中元素的溶入。Fe和Ni为主要溶出元素,其中Ni最为明显,溶出物质中Ni质量分数超过70%;Si和Al为主要溶入元素,Si在反应界面附近聚集,Al的溶入量较少,但可迅速进入由基体元素溶出留下的孔洞中。
环保与能源
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  “双碳”背景下废钢行业碳排放核算及分析

  陶炜, 李勇, 刘云飞, 邹海历, 康迎迎, 冯鹤云, 童莉葛

  钢铁. 2025, 60(2): 161-173.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240450

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  在“双碳”目标的推动下,废钢凭借其绿色低碳特性,在全球钢铁产业中的地位日益凸显。提升废钢的循环利用水平,已成为钢铁产业转型升级的关键策略。然而,目前研究多集中于废钢使用对钢铁工业减排的贡献,但对废钢产业的自身发展态势及其生产过程中碳排放问题的研究尚显不足。采用“排放因子法”定量分析了废钢回收加工过程的碳排放水平,综合考虑能源效率、成本效益及环境影响（尤其是碳排放）3方面因素,建立了以企业利润最大化为目标的废钢回收加工过程优化模型,分析了废钢市场价格、碳交易价格、设备能耗和可再生能源应用对企业利润和碳排放量的影响。结果表明,将碳排放指标纳入生产规划时,碳排放量可降低12.23%。随着全国碳交易市场体系的快速建设,废钢企业可通过出售碳排放限额指标来增加利润,而钢铁企业则需要购买额外指标,其中采用短流程炼钢的企业碳交易成本可比长流程企业降低55.6%;增加光伏发电比例可实现较佳碳减排效果,当光伏发电比例增至71.3%时,与当前方案相比可减少碳排放量51.51%,并降低外购电费63.2%。由于废钢企业毛料收购成本占总成本的70%以上,所以市场价格波动对企业利润的影响远大于能耗成本或碳排放收益的增减。当废钢的收购和出售价格同步上升时,废钢企业利润将随着废钢收购价格的增长而增加。研究旨在为废钢企业在“双碳”背景下优化生产计划提供指导,以实现经济效益与环境效益的双赢。